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植物在逆境中的生存之道
近百年來,地球氣溫持續升高,乾旱、洪水等極端氣候頻傳,整體環境越來越不利於萬物生存。在人類開始採取應變措施時,植物也有自己的對應方式。
 
 
 
近百年來,地球氣溫持續升高,海平面也逐年上升,乾旱、洪水等極端氣候頻傳,整體環境越來越不利於萬物生存。在人類開始針對氣候變遷採取應變措施時,植物也有自己的對應方式。多年來,中央研究院農業生物科技研究中心持續探究植物在逆境下的反應,以利作物的改良,邱子珍研究員就是探究植物在缺「磷」的情況下會如何調適的專家。

植物的生存不只需要陽光、空氣和水,還需要土壤裡的礦物元素,包括氮、磷、鉀,以及其他元素。其中,「磷」是植物生長與發育不可或缺的元素,也是土壤中不易獲得的養分。但地球上製造磷肥所需的磷礦有限,也無法再生。而且,施肥後只有約百分之二十的磷肥能被作物吸收,其他的不是固定在土壤中,就是流失浪費掉。若過度施用,流失的磷不僅無法回收,還會汙染環境,造成水源、湖泊的優氧化。

不施肥時,植物會處於磷受限的「飢餓」狀態,即便如此,植物也有調適的方式,能繼續存活繁衍。邱子珍研究員說,植物缺磷就像人缺錢一樣,會有「開源節流」的動作。這時,植物會視體內狀態調適。譬如把老葉細胞的磷轉運到幼葉,以哺養幼葉的發育。又例如根系的側根與根毛會變多、變密,而增加吸收磷的表面積,或延伸得更長、更遠,有利探索更多的磷,甚至會與真菌共生,藉著菌絲分布比根還要遠、還要密,而增加磷的吸收能力。

此外,植物的根會釋放一些酵素與有機酸,讓土壤裡被固定的磷轉換成無機磷,而有利於根部吸收。植物的根部細胞也會在缺磷的環境下誘導產生更多的磷酸鹽運輸蛋白,這些分布在細胞膜上的運輸蛋白能在低濃度的環境下加速磷的轉運吸收。

邱子珍研究員表示,這些適應機制涉及一系列訊息的產生、接收、傳遞與擴大,導致基因表達的消長與調控,並造成植物在形態、生理、生化上的諸多改變。而她聚焦的研究主題,就是探究到底哪些基因的表達有所改變,才能讓植物適應缺磷的逆境。

她的團隊透過對阿拉伯芥模式植物的研究,首次揭露了微核酸(microRNA)是協助植物應變缺磷逆境的重要分子機制之一。她說,當磷肥缺乏時,會大量誘導miR399和miR827這兩種微核酸的表現,抑制了其目標基因PHO2與NLA的表達,進而增加磷酸鹽的吸收與轉運。反之,在磷肥充足的環境下,miR399和miR827的表現量相當低,導致PHO2與NLA高度表達,進一步調控磷酸鹽運輸蛋白的量,以維持適量的磷酸鹽吸收與轉運,避免磷過度的累積。

邱子珍研究員團隊的研究顯示了miR399-PHO2和miR827-NLA這兩個功能模組會因應土壤中磷肥的多寡,共同調控磷的吸收與轉運。她進一步指出,當植物感受到缺磷時,miR399會由葉片產生,透過維管束運移到根部,抑制根部PHO2的表現,顯示miR399在缺磷時,扮演葉片與根部溝通的重要訊息分子。

這些研究的最終目的是想知道如何提高植物對磷的利用效率。在充分理解miR399-PHO2和miR827-NLA這兩個模組對磷吸收與轉運的調控機制後,在未來分子育種時,就能以這些基因為分子標記做為選拔的目標。

綠色革命後,持續而大量的施肥已成為確保產量的標準農法。邱子珍研究員特別呼籲,磷肥的取得不同於氮肥,來源有限,然而全球磷礦資源集中於有限國家,而且已達開採枯竭的警戒線。未來,磷礦(肥)的取得對多數國家農業的永續操作會是相當棘手的課題,甚至成為農業生產和糧食安全的重大挑戰。因此,「磷」的耗竭是個危機,該如何永續經營是個刻不容緩的議題。

深度閱讀
  1. Liu, T. Y., W. Y. Lin, T. K. Huang, T. J. Chiou (2014) MicroRNA-mediated surveillance of phosphate transporters on the move. Trends in Plant Science. 19(10), 647-655.
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